Un equipo internacional de investigadores, dirigido por Penn State, ha desarrollado sensores de gases ultrasensibles basados en la infusión de átomos de boro en la matriz de átomos de carbono fuertemente unida conocida como grafeno. El grupo está compuesto por investigadores de seis países e incluye el 2010El noble laureado y pionero del grafeno Konstantin Novoselov y Morinobu Endo, el descubridor de los nanotubos de carbono.
El grafeno es bien conocido por su notable fuerza y capacidad para transportar electrones a alta velocidad, pero también es un sensor de gas altamente sensible. Al agregar átomos de boro, los sensores de boro grafeno BG pudieron detectar moléculas de gas nocivas a niveles extremadamente extremos.bajas concentraciones, partes por mil millones en el caso de los óxidos de nitrógeno y partes por millón de amoníaco, los dos gases probados hasta la fecha, lo que se traduce en una sensibilidad 27 veces mayor al NOx y una sensibilidad 105 veces mayor al amoníaco en comparación con el grafeno prístino.Los investigadores creen que estos resultados, informados en la edición actual de la Actas de la Academia Nacional de Ciencias , abrirá una ruta a sensores de alto rendimiento que pueden detectar trazas de muchas otras moléculas.
"Este es un proyecto que hemos estado llevando a cabo durante los últimos cuatro años. Anteriormente pudimos dopar el grafeno con átomos de nitrógeno, pero el boro resultó ser mucho más difícil", dijo Mauricio Terrones, profesor de física, química yciencia de los materiales en Penn State y el autor correspondiente del artículo. "Una vez que pudimos sintetizar lo que creíamos que era boro grafeno, colaboramos con expertos en los Estados Unidos y en todo el mundo para confirmar nuestra investigación y probar las propiedades de nuestro material."
Tanto el boro como el nitrógeno se encuentran junto al carbono en la tabla periódica, lo que hace posible su sustitución. Pero los compuestos de boro son muy sensibles al aire y se descomponen rápidamente cuando se exponen a la atmósfera. Se sintetizaron láminas de un centímetro cuadrado en Penn State en una solade un tipo de sistema de deposición de vapor químico asistido por burbujeador. El resultado fueron láminas de grafeno dopadas con B de gran calidad y gran área.
Una vez fabricadas, las muestras de BG se enviaron al Honda Research Institute USA Inc., ubicado en Columbus OH, que probó las muestras contra sus propios sensores de gases altamente sensibles. El laboratorio Novoselov de la Universidad de Manchester, Reino Unido, estudió el transportemecanismo de los sensores. Los colaboradores de la teoría en los EE. UU. y Bélgica combinaron las imágenes STM con las imágenes experimentales, confirmaron la presencia de los átomos de boro en la red de grafeno y su efecto al interactuar con las moléculas de amoníaco u óxido de nitrógeno. Los colaboradores en Japón y China también contribuyerona la investigación.
"Esta investigación multidisciplinaria allana el camino para una mayor exploración de sensores de gas ultrasensibles", dijo el Dr. Avetik Harutyunyan, científico jefe y líder de proyecto del Honda Research Institute USA Inc. "Nuestro enfoque combina nanomateriales novedosos con radiación continua de luz ultravioleta en eldiseños de sensores que han sido desarrollados en nuestro laboratorio por el investigador principal Dr. Gugang Chen en los últimos 5 años. Creemos que un mayor desarrollo de esta tecnología puede romper el límite de detección de partes por cuadrilátero PPQ, que es de hasta seis órdenesde magnitud mejor sensibilidad que los sensores actuales de última generación "
Estos sensores se pueden usar para laboratorios e industrias que usan amoníaco, un peligro para la salud altamente corrosivo, o para detectar NOx, un contaminante atmosférico peligroso emitido por los tubos de escape de los automóviles. Además de detectar gases tóxicos o inflamables, el trabajo teórico indica que el boro-El grafeno dopado podría mejorar las baterías de iones de litio y los transistores de efecto de campo, informan los autores.
Los autores principales del artículo de PNAS, "Detección de gases ultrasensibles de grafeno dopado con boro en grandes áreas" son Ruitao Lv, un ex erudito postdoctoral en el laboratorio Terrones ahora en la Universidad de Tsinghua, Beijing, China; Gugang Chen, uncientífico principal del Honda Research Institute USA Inc .; Andrés Botello-Méndez, Universidad Católica de Lovaina la-Neuve; y Amber McCreary, una estudiante graduada en el laboratorio de Terrones.
El apoyo para este trabajo fue provisto por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, los premios MURI de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU., El Honda Research Institute USA Inc., el buque insignia de Graphene de Europa y el Centro de Ciencia a Nanoescala de Penn State, NationalScience Foundation MRSEC y el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State.
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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